一种冻融循环条件下埋地ABR管道长期力学性能试验装置

本发明属于管道工程术领域，具体涉及一种冻融循环条件下埋地abr管道长期力学性能试验装置。

背景技术：

0、技术背景

1、输水管道作为水资源调度过程中的重要媒介，在输调水、给排水及农业灌溉等领域中具有大范围的应用，然而受管材自身的质量及自然灾害的影响，现有输水管道的老化、破裂及渗漏问题日益突出，尤其是聚氯乙烯管材因冬季低温脆性严重、抗冲击性能差等不足给输水工程造成了极大的隐患。基于此，新型研发而成的丙烯酸酯共混聚氯乙烯管材(abr管)具备良好的物理力学性能，为输水工程提供了更为稳定的管道选择。

2、为了进一步对abr管的抗压强度、耐久性等进行测定，故而在模拟相应的工况基础上对其进行试验，以量化其性能参数。

3、专利cn112098220a公开了一种研究钢管砼构件徐变性能的自平衡恒定加载装置，该发明以千斤顶作为恒定荷载的来源，由于混凝土收缩徐变造成荷载值减小，故采用压力传感器监控荷载值，当荷载值小于某一阈值时，调节千斤顶至恒定荷载，该过程即为补载。此发明虽然能够在一定范围内稳定荷载，但是间断性调节千斤顶会造成荷载波动，并且多次调节也会严重影响试验进程。

4、专利cn107515232a公开了一种冻融循环试验装置，将试件箱放置于温控箱之内，试件箱的顶部设置有压力加载机构，用于测定在冻融循环以及竖向压力的作用下土体物理力学性能的变化。此发明虽然实现了寒区冻融循环以及岩土体竖向受力工况的模拟，但是并未考虑冻融循环过程中土体内部水分的迁移，且未对如何设置补水装置以保证土体内部含水率的技术问题作出相应技术措施，故而该发明在冻融循环的模拟中缺乏关键因素(土体含水率)导致整个试验条件与实际工况具有较大出入，使得试验结果的准确性存在误差。

5、由上述可以，现有技术中存在如下技术问题：

6、(1)缺乏自适应补载功能，在千斤顶的作用下试件受轴向荷载会发生压缩变形，那么试件与千斤顶的相互作用力减小甚至消失，导致试件无法持续受到恒定荷载的作用，为此现有技术通过检测压力大小，当压力的变化超过阈值时，需要人工调节千斤顶进行补载，使得轴向荷载再次达到预设值；采用上述加载方式对试件施加荷载是在一定范围内波动的，无法保证试件受到恒定的荷载。另外，对于冻融循环试验条件而言，不断的补载操作还会破坏温度环境。

7、(2)缺乏补水装置，土体中心未冻区的水分向四周冻结区迁移，土体中心部位的含水率显著变化，影响最终试验结果。

8、(3)缺乏水平向荷载，尤其是埋设于地下的管道，不仅要承受竖直方向上的土压力，还要承受水平方向上的土压力，缺乏水平方向上的压力也会影响管道承载力试验的准确性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明意在提供一种冻融循环条件下埋地abr管道长期力学性能试验装置，以解决现有技术中竖向荷载需不断补载以及缺乏水平向荷载的问题。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种冻融循环条件下埋地abr管道长期力学性能试验装置，包括加载装置，加载装置包括容纳箱、竖向加载机构及水平向加载机构，容纳箱包括两侧可转动的挡板，挡板的顶部设有挡板转轴，挡板的底面由外至内向上倾斜，挡板的下方设有与挡板底面相配合的楔形块；竖向加载机构位于容纳箱的一侧，竖向加载机构包括支座以及与支座转动连接的连接杆，连接杆远离支座的一端设有加载体，连接杆靠近支座的一端转动连接有第一齿条，第一齿条通过传力齿轮及第二齿条与容纳箱的盖板连接，第一齿条的啮合部背离连接杆，第一齿条与连接杆之间预留旋转空间，可使得第一齿条逆时针转动，旋转空间内部设有弹性支撑部件，弹性支撑部件连接第一齿条及连接杆；水平向加载机构包括位于容纳箱两侧的挡墙，挡墙与挡板之间通过螺纹杆及螺母进行连接，通过旋紧螺母可对挡板施加沿高度方向线性变化的水平荷载。

4、有益效果：

5、(1)与现有技术相比，一方面，通过支座及连接杆可以呈倍数的放大加载体的作用力，另一方面，通过竖向加载机构所施加的竖向荷载是恒定的，在试验过程中无需补载。

6、(2)通过增设水平向加载机构，能够对土体施加沿高度方向线性变化的水平荷载，进一步提升试验模拟的真实性。

7、进一步，还包括冻融装置，所述冻融装置包括温度循环试验箱，所述温度循环试验箱包括温控箱体，所述容纳箱、所述竖向加载机构均位于所述温控箱体的内部。

8、有益效果，通过温度循环试验箱调节温度可模拟冻融循环试验条件。

9、进一步，所述挡板的外侧面沿高度方向间隔设置有多根水平向的次梁，所述次梁的外部设置有多根与所述次梁相垂直的主梁。

10、有益效果，能够保证对挡板施加外部荷载时，荷载能够较为均匀的作用于整个挡板从而有效避免应力集中。

11、进一步，所述盖板分为上层板体以及与上层板体连接的下层板体，所述下层板体可深入容纳箱的内部。

12、有益效果，上部板体可以为盖板的向下移动起到限位作用且便于盖板的取出，下层板体与土体直接接触，为土体传递均布荷载。

13、进一步，所述第二齿条位于所述盖板的上方，所述第二齿条通过第二齿条固定座与所述盖板固定连接，所述第二齿条固定座位于所述盖板的中心位置。

14、有益效果，通过第二齿条固定座将第二齿条与盖板进行连接，并且增大第二齿条与盖板的接触面积。

15、进一步，所述第二齿条的背部设有第二齿条支撑单元，所述第二齿条支撑单包括支撑杆及滑槽，所述支撑杆的固定端与所述第二齿条的背面固定连接，所述支撑杆的自由端与所述滑槽滑动连接，所述滑槽与所述温控箱体的侧壁固定连接。

16、有益效果，第二齿条支撑单元能够为第二齿条提供支撑力，防止第二齿条发生变形，并且支撑单元能够随第二齿条发生滑动，为第二齿条提供持续支撑。

17、进一步，所述挡墙背离所述挡板的一面与水平面垂直，所述挡墙朝向所述挡板的一面由上至下向内倾斜。

18、有益效果，强化挡墙的抗倾覆能力，防止挡墙因受力过大沿墙脚发生翻转。

19、进一步，所述补水机构包括密封箱以及位于密封箱内部的补水瓶，所述补水瓶通过水管与容纳箱连通，所述补水瓶上方设有用于对补水瓶进行补给的水箱，所述水箱的出水口连接有输液管，所述输液管上设有流速调节器。

20、有益效果，通过补水机构为土体提供持续补水，通过流速调节器可以对补水流量进行调节，更大程度的满足试验需求。

21、进一步，所述容纳箱的内部装填有土体及abr管道，所述abr管道位于容纳箱的中心位置，所述abr管道水平且延伸方向与所述挡板平行。

22、有益效果，保证abr管受力均匀。

23、进一步，所述水管的出水端于所述abr管道的正下方分流成多根支管，多根所述支管均绕所述abr管道的外侧面沿竖直方向上升，所述支管的出水口竖直，且所述支管出水口的顶点与所述补水瓶的顶部开口处于同一水平面。

24、有益效果，将水管分流成多根支管能够增多出水面积，且水管的出水口竖直状态能够有效防止土体在竖向荷载的作用下进入出水管造成管口堵塞，另外，出水口的上顶点与补水瓶顶部开口处于同一水平面，从而可以实现无压补水。